Nghiên cứu biến tần micromater của hãng siemens ứng dụng biến tần trong điều khiển truyền động đồng bộ nhiều động cơ

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triển rất
mạnh mẽ, lĩnh vực Điện - Điện tử và Tin học không nằm ngoài trào lưu đó.
Chính khả năng phát triển mạnh mẽ như vậy đã làm nên quá trình chuyển
biến sâu sắc cả về lý thuyết lẫn thực tiễn trong đời sống khoa học kĩ thuật và
công nghệ .
Vì vậy . Điện - Điện tử và tin học đã được sử dụng rộng trong hầu hết
tất cả các lĩnh vực trong đời sống , nghiên cứu và trong khoa học . Đặc biệt sự
ra đời của ĐTCS với kích thước nhỏ gọn , tác động nhanh chính xác dễ ghép
nối với hệ thống khác . Do đó mà nâng cao được chất lượng hệ thống .
Trước đây người ta thường điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi điện
áp . Đây là phương pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh cả tĩnh lẫn
động đều không cao . Như vậy để điều khiển được chính xác và hiệu quả phải
nói đến phương pháp thay đổi điện áp nguồn cung cấp . Do tốc độ động cơ
không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơ làm việc với độ trượt nhỏ
và tổn hao công suất trong mạch roto nhỏ .. Tuy nhiên phương pháp này còn
đắt tiền và phức tạp .
Thiết bị dùng để biến đổi tần số là các bộ nghịch lưu ,có thể nghịch lưu
trực tiếp hoặc gián tiếp . Như vậy Biến tần là một thiết bị tích hợp cả chỉnh
lưu , nghịch lưu lẫn điều khiển . Và luật điều khiển trong mỗi biến tần phụ
thuộc vào nhà sản xuất .
Tuy nhiên hiện nay việc nghiên cứu biến tần trong và ngoài nước rất phát
triển . Với sự ra đời của nhiều hãng sản xuất như Toshiba , Hitachi Omron ,
Siemens .... Và với nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như theo luật u/f
không đổi , điều khiển từ thông không đổi điều khiển vector . Nhưng việc tìm
hiểu để chọn ra một phương án thích hợp hoặc nghiên cứu tìm ra một phương

1


án điều mới sao cho tối ưu về giá thành độ chính xác tin cậy thì vẫn còn tranh

luận . Vì mỗi loại biến tần đều có ưu nhược điểm khác nhau .
Quan sát trên màn hình hiển thị của biến tần ta thấy thường có các khả
năng hiển thị tốc độ quay của trục , tần số nguồn cấp , thời gian tăng tốc thời
gian giảm tốc , cảnh báo lỗi và các sự cố … Điều này chính là nhờ các khối
tính toán trong bộ biến tần . Chính vì vậy , để giải quyết vấn đề trên và hiểu rõ
hơn về các BBT chính là mục đích nghiên cứu đồ án này . Đề tài của em là :
“Nghiên cứu biến tần MicroMater của hãng siemens . Ứng dụng biến tần
trong điều khiển truyền động đồng bộ nhiều động cơ .”
Nội dung chính của đề tài bao gồm 3 chương sau :
Chương 1 : Biến tần gián tiếp trong ứng dụng hiện nay
Chương 2 : Biến tần MicroMater của hãng siemens
Chương 3 : Ứng dụng BBT trong điều khiển truyền động đồng bộ nhiều
động cơ
Những từ viết tắt và những từ tên nước ngoài trong đồ án
BBT : Bộ biến tần
BBTMM : Bộ biến tần Micomaster
ĐK : Điều khiển
ĐKHTH : Điều khiển hệ thống hở
ĐKHTK : Điều khiển hệ thống kín
ĐKH : Điều khiển hở
PWM : (Pulse width modulation) Điều biến độ rộng xung
TĐĐ : Truyền động điện
PLC : Programable logic control

2


CHƯƠNG 1
BIẾN TẦN GIÁN TIẾP TRONG ỨNG DỤNG HIỆN NAY
1 . Đặt vấn đề

Ngày nay việc tự động hóa trong công nghiệp và ổn định tốc độ động cơ
đã không còn xa lạ gì với những người công tác trong nghành kỹ thuật . Biến
tần là một trong thiết bị điện tử hỗ trợ đắc lực nhất trong việc điều chỉnh tốc
và thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất mà hầu hết các xí nghiệp
đang sử dụng . Biến tần được dùng chủ yếu là để điều khiển động cơ . Khi sử
dụng bộ biến tần (BBT) trong điều khiển không những đáp ứng được độ
chính xác cao và giảm được thời gian kích thước cho ta dải điều chỉnh rộng ,
tránh được tổn thất điện áp trong cung cấp điện
Sự phát triển của các bộ biến tần rất đa dạng . Với nhiều các bộ biến tần
của nhiều hãng khác nhau ( Như Toshiba , Hitachi ,Omron , Siemens .... )
đang được sử dụng nhiều tại các nhà máy với các đặc trưng mới như sau :
- Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt.
- Có nhiều cách lựa chọn truyền thông.
- Điều khiển cho chất lượng truyền động cao.
- Các đầu ra và đầu vào linh hoạt.
- Có các phương thức cài đặt khác nhau, qua màn hình điều khiển
hoặc phần mềm miễn phí.
- Thời gian tăng tốc, giảm tốc có thể cài đặt được.
- Tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy.
- Khởi động bám khi biến tần nối động cơ quay.
- Tích hợp nhiều bảo vệ.
Do vậy các bộ biến tần được sử dụng nhiều trong ứng dụng truyền động
điện và cung cấp điện .

3


2 . Cấu trúc chung của biến tần gián tiếp
a: Khái niệm chung về biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều với tần số của lưới

điện thành dòng xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới .
Và bộ biến tần được chia thành 2 loại chính là bộ biến tần trực tiếp và bộ
biến tần gián tiếp .
b : Bộ biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp là thiết bị điện từ biến đổi năng lượng điện xoay chiều
thành xoay chiều có biên độ điện áp và tần số khác với tần số biên độ điện áp
của lưới thông qua khâu trung gian .
Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua các khâu trung gian một chiều
do đó có tên là biến tần gián tiếp .
Bộ biến tần gián tiếp có sơ đồ khối như hình vẽ 1-1

Hình 1.1 : Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều có tấn số công nghiệp được chỉnh lưu thành nguồn
một chiều nhờ bộ chỉnh lưu ( CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu có điều
khiển .
Sau đó được lọc qua bộ lọc và đi tới bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi
thành nguồn xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ . Tần
số và điện áp thực hiện bởi khâu nghịch lưu thông qua luật điều khiển u/f
không đổi , điều khiển từ thông không đổi hay điều khiển vector …

4


Bộ biến tần gián tiếp có thể chia làm 3 loại chính tuỳ thuộc vào bộ chỉnh
lưu và nghịch lưu . Và sau đây là cấu trúc của từng loại .
* Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ
chỉnh lưu dùng diode hình 1.2 :

Hình 1.2 : Biến tần gián tiếp nguồn áp và bộ chỉnh lưu diode

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diode) có trị
số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn . Điện áp và tần số được
điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) . Các mạch
nghịch lưu bằng các tranzito ( BJT,MOSFEST , IGBT ) được điều khiển theo
nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sin nhất .
* Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu có
điều khiển dùng tiristor hình 1.3 :

Hình 1.3 : Biến tần gián tiếp nguồn áp và bộ chỉnh lưu điều khiển

5


Điện áp điều chỉnh bằng bộ chỉnh lưu có điều khiển ( thông thường bằng
các tiristor hoặc tranzitor ) . Bộ chỉnh lưu có chức năng điều chỉnh tần số
động cơ . Dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông .
* Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng và chỉnh lưu điều khiển dùng tiristor
hình 1.4 .

Hình 1.4 : Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển

Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là
cuộn kháng đủ lớn .
3. Ưu điểm và nhược điểm của bộ biến tần gián tiếp
a.Ưu điểm
Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc thay đổi tần số và thay đổi điện áp
nên luôn đảm bảo mômen khởi động đủ vượt tải ngay cả khi ở tốc độ đạt rất
thấp . Trong khi đó , dòng điện đưa vào động cơ không tăng , do phối hợp
giữa điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ sinh mômen . Dòng khởi động

lớn nhất của hệ truyền động bằng bộ biến tần chỉ bằng dòng định mức . Khởi
động bằng bộ biến tần không làm sụt áp lưới khi khởi động , đảm bảo các ứng
dụng khác không bị ảnh hưởng .
Do quá trình khởi động bằng bộ biến tần được mền hoá nên các chi tiết
của hệ truyền động điện sẽ được bảo đảm tuổi thọ cao .

6


Hệ số công suất cos ϕ luôn giữ ở 0.96 . Điều này đảm bảo cho lưới điện
có hiệu suất sử dụng cao và giảm chi phí cho hệ thống bù công suất phản
kháng.
Điều khiển động cơ bằng các bộ biến tần đảm bảo chế độ điều khiển liên
tục.
Tạo khả năng tự động hoá , nhờ bộ PID có sẵn trong bộ biến tần dùng
trong điều khiển vòng kín của quá trình.
b. Nhược điểm
Nhược điểm cơ bản của bộ biến tần gián tiếp là có hiệu suất thấp vì qua
2 lần biến đổi.
Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn . Hoạt động của bộ
biến tần gián tiếp phụ thuộc vào loại nguồn và tải.
4. Giới thiệu về một số phương pháp điều khiển (ĐK) tần số động cơ
không đồng bộ dùng BBT gián tiếp
Điều khiển tần số là một phương pháp điều khiển hiện đại cho phép điều
chỉnh tốc độ động cơ trơn rộng và hiệu quả.
4.1. Điều khiển điện áp-tần số không đổi.
4.1.1. Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không
đổi
Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ được trình bày ở hình vẽ 1.5 dưới
đây:

(a)

(b)

7


(c)

.

Ic

(d)

Hình 1.5. Mạch điện thay thế động cơ không đồng bộ
a.Mạch điện tương đương 1 pha stato
b.Mạch điện tương đương 1 pha roto
c. Mạch điện tương đương 1 pha
d. Mạch điện tương đương 1 pha dạng đơn giản

Chế độ làm việc của động cơ khi điều khiển điện áp-tần số không đổi
được phân tích trên cơ sở giả thiết: Điện áp stato động cơ có dạng hình sin đối
xứng ở 3 pha, có trị số biên độ và tần số thay đổi. Với giả thiết đó có thể bỏ
qua hiệu ứng bề mặt; điện trở stato không đổi, điện trở từ hoá có thể bỏ qua,
do đó nhánh mạch điện từ hoá chỉ gồm điện kháng từ hoá (Xm). Sức điện động

8

stato Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp stato U s, một lượng sụt
áp trên trở kháng tản từ stato (Rs+jXsσ)Is. Do bỏ qua các thành phần sóng hài
của sức từ động, nên từ thông khe hở sẽ có dạng hình sin và từ thông móc
vòng mỗi vòng dây stato cũng là hàm hình sin.
Từ thông móc vòng 1 vòng dây stato có dạng:
Φ=Φmsinωst

(4.1-1)

Trong đó: ωs=2πfs -Tần số góc của điện áp nguồn cung cấp.
Sức điện động ứng với 1 vòng dây stato là:
ex=

dφ
=ωsΦmcosωst
dt

(4.1-2)

Và trị số hiệu dụng sức điện động stato là:
Es=ωsΦmKw.N1/ 2 =4,44Kw.fs.N1.Φm

(4.1-3)

Với N1 là số vòng dây nối tiếp của một pha; Kw là hệ số dây quấn.
Từ (4.1-1) thấy rằng Φm sẽ tỉ lệ với tỉ số Es/ωs hoặc Es/fs.
Khi điều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không đổi thì động cơ sẽ
được sử dụng hiệu quả nhất, tức là có khả năng sinh mômen lớn nhất. Từ
thông khe hở không đổi khi duy trì tỉ số E s/fs không đổi. Nếu sụt áp trên trở

kháng tản từ bé có thể bỏ qua thì sức điện động E s sẽ xấp xỉ bằng điện áp Us.
Do đó, từ từ thông khe hở sẽ được duy trì gần không đổi khi duy trì tỉ số U s/fs
là hằng số . Đây là nội dung cơ bản của luật điều khiển điện áp- tần số không
đổi . Và phương pháp điều khiển này được sử dụng phổ biến trong các hệ
thống điều khiển hở (ĐKH) đơn giản . Đặc tính tuyến tính điện áp- tần số
được thực hiện bằng các kỹ thuật ĐK điện áp- tấn số trong các bộ biến tần .
Tuy nhiên ở vùng tần số thấp , sụt áp trên trở kháng tản từ lớn nên từ thông
khe hở sẽ giảm , khả năng sinh momen của động cơ (Đ) sẽ giảm .
Từ sơ đồ thay thế hình 1.5 có thể viết được các phương trình cân bằng
điện áp sau :

9


.

.

U s = ( Rs + jX sσ ) I s + (
i

.

'

JX m ( I s − I r ) = (

.
R' r
'

+ jX ' sσ ) I r
s

.
R' r
'
+ jX ' rσ ) I r
s

(4.1-4)
(4.1-5)

Momen động cơ được tính theo công thức :
M =

3 p 2 R'
I 'r
ωs
s

(4.1-6)

Trong đó: R’r , X’r σ : Điện trở, điện kháng stato qui đổi về roto
Xm : Điện kháng từ hoá
p : Số cực từ
Độ trượt của động cơ tính theo công thức:
s=

f sl ω sl
=

fs
ωs

(4.1-7)

Trong đó : ω s = 2πf s : Tần số góc của nguồn cấp
ω sl = 2πf sl : Tần số góc của roto ( tốc độ trượt)

fsl , fs : Tần số nguồn cấp của roto và stato
Sử dụng tốc độ góc điện , tốc độ trượt được tính theo :
ω sl = ω s − ω r = sω r

(4.1-8)

Kết hợp phương trình ( 4.1-4) và (4.1-7) , momen động cơ được biểu thị
là hàm của điện áp stato U1 và tần số góc ω s , ω sl theo biểu thức:
U
M = 3 p s
 ωs




ω sl
 Rs −
ω s Rr'



ω sl X M2 / Rr '

(

2

2


ω sl Rs X r' 
'
2
X s X r − X m  + X s +

ω sl Rr' 




)

(4.1-9)

Với Xs=Xs σ +Xm : Điện kháng tổng stato ứng với tần số nguồn cấp ω s
Xr’=Xr’ σ +Xm : Điện kháng tổng roto ứng với tần số nguồn cấp ω s
Với luật ĐK tần số điện áp - tần số không đổi (U s/ ω s= conts) , ở vùng có
tần số cao ( Xung quanh tần số định mức ) momen tới hạn có trị số gần như
không phụ thuộc tần số nếu tỉ số (Rs/fs) nhỏ. Khi tần số giảm , từ thông khe hở
sẽ giảm do sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng điện định mức không đổi
10

mọi tần số, kết quả momen tới hạn của động cơ sẽ giảm , đặc biệt sẽ giảm
nhanh ở vùng tần số thấp. Ví dụ khi ở vùng tần số nhỏ hơn 10Hz . Đồ thị đặc
tính cơ có công suất 170w , 1370 vg/ph trên hình vẽ 1.6 minh họa cho nhận
xét này .
Ở trạng thái hãm ( máy phát ) chiều dòng công suất ngược dấu với động
cơ. Tương tự áp trên stato cũng có hướng ngược lại , do đó sức điện động
stato (Es) tăng và dẫn tới từ thông khe hở tăng so với trạng thái động cơ . Như
kết quả được biểu diễn trên hình vẽ 1.6 , nếu coi mạch từ không bão hoà ,
momen động ở trạng thái hãm sẽ lớn , đặc biệt ở vùng tần số trung bình .

Hình 1.6. Đặc tính cơ khi điều chỉnh Us/fs hắng số của động cơ
(170W, 415V, 0.46A, 1378v/ph)

Trong điều kiện làm việc thực tế , do hiện tượng bào hoà từ , nên trị số
momen hãm sẽ nhỏ đáng kể so với tính toán .
Ở trạng thái động cơ , mạch từ không bão hoà nên đặc tính cơ thực tế của
động cơ nhận được bằng phương trình (4.1-9). Có thể xác định được trị số tần
số góc roto tới hạn bằng công thức sau :
ω slth = ±ω s Rr'

Rs2 + X s2
( X s X r' − X m2 ) + Rs2 X r'

(4.1-10)

Dấu “ + “ ứng với trạnh thái động cơ , dấu “ – “ ứng với trạng thái hãm.

11

Nếu điện kháng từ hoá (Xm) rất lớn hơn với điện kháng tản từ stato (X s σ
) và roto (Xr σ ) thì biểu thức (4.1-10) viết dưới dạng sau .
ω slth = ±

ω s Rr'
Rs2 + ( X sσ + X rσ )

2

( 4.1-11)

Trị số momen tới hạn sẽ được tính theo phương trình (4.1-9) bằng cách
thay thế ω sl bằng ω slth . Từ các phương trình và hình vẽ 1.6 cho ta thấy, khi
điều chỉnh điện áp - tần số không đổi , từ thông động cơ chỉ được duy trì hằng
số khi sụt áp trên dây quấn stato nhỏ có thể bỏ qua. Trong áp dụng thực tế do
điện trở stato không thể bỏ qua nên sụt áp trên điện trở stato ứng với dòng
điện định mức sẽ không đổi khi giảm tần số , trong khi sự sụt áp trên điện
kháng giảm theo tần số. Do đó sụt áp trên điện trở sẽ chiếm tỉ lệ lớn ở tần số
nhỏ. Sẽ ảnh hưởng lớn đến từ thông khe hở.
Vì vậy trong thực tế , tỉ lệ điện áp tần số thường được tăng lên ở vùng
tần số thấp để bù lại sự sụt áp trên điện trở stato. Trên hình 1.7 là các dạng
đặc tính điện áp- tần số . Dạng đặc tính tuyến tính là dạng mang tính chất lý
thuyết , hai đặc tính khác là các đặc tính sử dụng trong thực tế . Với dạng đặc
tính phi tuyến, điện áp tỉ lệ tần số ở vùng có tần số cao , khi tần số giảm nhỏ,
điện áp được tăng trơn đều tương đối so với lý thuyết. Ở đặc tính thứ 3 , điện
áp stato được cộng thêm thành phần U0 ở tần số bằng không :
Us=U0+k ω s

(4.1-12)

Hình 1.7. Đặc tính điện áp tần số

12


Trị số U0 và k đuợc chọn để điện áp stato có trị số cần thiết ở tần số bằng
không và trị số định mức ở tần số định mức. Với phụ tải động cơ yêu cầu
momen khởi động lớn, điện áp U 0 được điều chỉnh để dòng điện động cơ lớn
ở tần số zero (thời điểm đầu tiên của quá trình khởi động ). Nhưng trị số U 0
lớn có thể làm động cơ quá nhiệt nếu động cơ thường xuyên làm việc ở tốc độ
thấp do mức độ làm mát của động cơ tự làm mát giảm đáng kể. Với phụ tải
quạt gió, momen động cơ ở tốc độ thấp rất nhỏ, tỉ số điện áp - tần số có thể
giảm nhỏ đến mức độ phát nóng động cơ bé nhất. Trong các hệ thống truyền
động điện khác, mức độ tăng điện áp ở tầng số thấp có thể chỉnh định phù hợp
với đặc tính phụ tải.
Trong trường hợp tổng quát, với đặc tính điện áp - tần số cố định sẽ khó
duy trì được từ thông khe hở không đổi khi phụ tải động cơ thay đổi. Vì sụt áp
trên stato là hàm của dòng điện stato ( I s ) ( khi phụ tải tăng, sức điện động I s
giảm ). Để khắc phục vấn đề này , điện áp động cơ có thể được điều chỉnh
tăng tỉ lệ với biên độ dòng điện động cơ ở vùng tầng số thấp.
4.1.2.Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp – tần số không đổi
Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ với
điều khiển điện áp - tần số hằng số được trình bày trên hình 1.8a. Mạch lực
gồm một bộ chỉnh lưu điều khiển (CL) một pha hoặc ba pha, bộ lọc và bộ
nghịch lưu ( NL ) dạng sóng xung vuông. Tín hiệu tần số đặt ω sđ khi bỏ qua
tần số trượt sẽ là tín hiệu đặt tốc độ. Tín hiệu điều khiển điện áp U sđ được tính
từ tín hiệu tần số nhờ khâu tỉ lệ với hệ số G. Ở chế độ làm việc xác lập, từ
thông khe hở Φ 0 sẽ xấp xỉ tỉ lệ với tỉ số U s/ ω s định mức. Trị số tín hiệu điện
áp U0* tương ứng với trị số điện áp ban đầu U 0 của động cơ đảm bảo động cơ

tạo ra từ thông khe hở và momen tại tần số bằng không. Ở chế độ làm việc
xác lập, khi mômen phụ tải tăng , trong vùng đặc tính làm việc ổn định, độ
trượt sẽ tăng và trạng thái làm việc ổn định của động cơ tương ứng với sự cân
bằng giữa momen động cơ và momen phụ tải. Nếu tín hiệu tần số đặt lớn tần

13


số định mức, điện áp bộ chỉnh lưu sẽ đạt giá trị lớn nhất và không đổi, động
cơ sẽ chuyển chế độ làm việc từ vùng momen không đổi sang vùng giảm từ
thông. Từ thông khe hở sẽ giảm, do đó momen động cơ sẽ giảm khi cùng giá
trị dòng điện stato.

ω sd

( a)

(b)

Hình 1.8 . Sơ đồ khối hệ thống biến tần động cơ điều chỉnh điện áp đầu cực.
a. Sơ đồ khối
b. Đặc tính cơ

Ở hệ thống điều khiển điện áp vòng hở, từ thông khe hở sẽ thay đổi theo
sự biến đổi điên áp nguồn. Trên hình 1.8b là đặc tính cơ lí tưởng với momen
tới hạn không đổi ở vùng tần số dưới định mức, khi động cơ tăng tốc độ và
giảm tốc độ. Giả sử động cơ đang làm việc ở chế độ xác lập (điểm 1 ); nếu tần
số đặt ω sđ tăng nhảy cấp với trị số lớn, độ trượt tăng lớn, điểm làm việc sẽ
vượt qua điểm tới hạn và động cơ sẽ làm việc không ổn định. Khi tần số giảm
mạnh thì động cơ cũng sẽ làm việc không ổn định. Do đó, để đảm bảo quá

trình tăng tốc độ và giảm tốc độ động cơ ổn định, tần số động cơ cần được
thay đổi chậm và trơn sao cho độ trượt không vượt qua trị số tới hạn. Quá
trình tăng tốc độ và hạn chế dòng điện từ điểm 1 → 4 được minh họa trên đồ
thị 1.8b. Khi tần số tăng với giá trị lớn, động cơ sẽ chuyển điểm làm việc từ 1
sang 2, tiếp theo là quá trình tăng trơn của tần số khi dòng điện được hạn chế
ở giới hạn cho phép, tương ứng ở là momen hằng số ( điểm 2 – 3 ). Cuối

14


cùng, đoạn 3- 4, dòng điện động cơ giảm dần và động cơ làm việc ổn định ở
điểm 4. Qua trình giảm tốc xảy ra và hạn chế dòng điện từ điểm 1 → 7.
4.2. Điều khiển từ thông khe hở không đổi
4.2.1. Nguyên lý điều chỉnh từ thông khe hở không đổi
Điều khiển từ thông khe hở không đổi , động cơ không đồng bộ có khả
năng sinh momen lớn trong giải điều chỉnh tốc độ rộng , ngay cả khi ở dải tần
số thấp khi ảnh hưởng của điện trở stato lớn. Để duy trì được từ thông khe hở
không đổi trong giải tốc độ rộng , sức điện động stato sẽ được điều chỉnh tỉ lệ
với tần số stato cho phương pháp điều chỉnh tỉ lệ điện áp- tần số không đổi.
Sức điện động stato được tính theo công thức sau :
Es=ωsΦmKw.N1/ 2 =4,44Kw.fs.N1.Φm

(4.2.1)

Từ sơ đồ thay của động cơ không đồng bộ có:
Es=jXmIm=jωsLmIm
Trong đó:

(4.2.2)

Lm- Điện cảm từ hóa
Im-Dòng điện từ hóa
ωs-Tần số góc nguồn stato

Các biểu thức trên cho thấy từ thông khe hở tỉ lệ với tỉ số E s/ωs và do đó
tỉ lệ với tích số LmIm. Do đó điều khiển từ thông khe hở không đổi sẽ đồng
nghĩa với điều chỉnh tỉ số Es/ωs không đổi. Nếu mạch từ động cơ không bão
hòa và Lm là hằng số, từ thông khe hở sẽ tỉ lệ với dòng từ hóa. Trong thực tế
dòng điện từ hóa có thể duy trì ở trị số định mức (tương ứng với điện áp, tần
số định mức và phụ tải định mức).
Ở chế độ non tải, dòng điện từ hóa sẽ có giá trị lớn tương đối so với giá
trị ở chế độ làm việc bình thường của động cơ.
Theo sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ, dòng điện roto động cơ
I’r xác định theo biểu thức:

15


Es

I’n=  R' r  2
+ X '2


 s 

(4.2-3)

rσ

Với X’r σ = ω s .L'rσ - Điện kháng tản mạch roto qui đổi về stato
Sử dụng phương trình (4.1-7), phương trình (4.2-2) được viết dưới dạng
sau:
E
I =  s
 ωs
'
r





2

ω sl
Rr' + X r' σ

(4.2-4)

2

Biểu thức (4.2-4) cho thấy rằng khi điều khiển từ thông khe hở không
đổi, tức tỉ số Es/ωs không đổi, dòng điện rôto là hàm của tốc độ trượt ωsl và
không phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp.
4.2.2 Điều khiển từ thông khe hở bằng điều khiển điện áp - tần số
Với phương pháp điều khiển điện áp- tần số động cơ có thể làm việc
được ở 2 vùng tốc độ, vùng tốc độ dưới cơ bản và vùng tốc độ trên cơ bản .
a. Vùng tốc độ dưới cơ bản
Khi làm việc với từ thông khe hở không đổi, động cơ sẽ sinh ra momen

định mức ứng với dòng điện động cơ và tần số trượt định mức (đồ thị hình
1.9b). Do đó vùng làm việc này tần số trượt f2 sẽ là hằng số ứng với phụ tải
định mức. Tổn hao công suất trên điện trở roto P r=3Rr’Ir’2 cũng là hằng số.
Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc thực tế ở vùng tốc độ rất thấp, ở động cơ
tự làm mát do mức độ làm mát kém đi, động cơ không thể làm việc với phụ
tải định mức nên momen động cơ sẽ giảm.

16


(a)

(b)
Hình 1.9. Các đặc tính điều chỉnh của động cơ không đồng bộ
a. Đặc tính cơ
b. Đặc tính điều chỉnh

b. Vùng tốc độ trên cơ bản
Tăng tần số nguồn điện stato lớn hơn định mức, tốc độ động cơ sẽ tăng
lớn hơn định mức, trong khi điện áp động cơ sẽ được duy trì ở giá trị định
mức. Do đó tỉ số Us/fs sẽ giảm dẫn đến từ thông khe hở Φ giảm.
Thay phương trình (4.2-2) vào phương trình (4.1-6) ta có phương trình
momen của động cơ như sau :

17


E
M = 3 p s
 ωs

2

  ω sl Rr' 
  '2
'2 
  Rr + X rσ 

(4.2-3)

Từ phương trình (4.2-3), một cách gần đúng, momen động cơ tỉ lệ
nghịch với bình phương tần số stato động cơ:
3 pE s ω sl
2

M=

2πf s

(4.2-4)

2

Khi áp dụng điều kiện 2лf2Lr’<trượt:
E s' ω sl
I’2= . '
ω s Rr

(4.2-5)

Do đó theo (4.2-5) ta có:
S=

fr
=hằng số
fs

(4.2-6)

Theo (4.2-6) tần số trượt fr tăng dần theo tần số fs như đồ thị hình 1.9b
Tốc độ roto động cơ sẽ tăng tỉ lệ với tần số:
ωr=ωs(1-s)=Kfs

(4.2-7)

Do điện áp đặt vào động cơ là hằng số, tỉ số fr/fs là hằng số, nên giá trị
momen lớn nhất của động cơ trong vùng làm việc trên tốc độ cơ bản được
biểu diễn theo tần số và momen định mức theo biểu thức:
f sdm

Mmax= f Mđm
s

(4.2-8)

Từ (4.2-6) thấy rằng momen động cơ lớn nhất tỉ lệ nghịch tần số đường
nét đứt trên hình 1.9a, do đó công suất lớn nhất sẽ không đổi và bằng công
suất định mức. Vì thế vùng điều chỉnh trên tốc độ cơ bản gọi là vùng công
suất không đổi.

Như minh họa trên hình 1.9a, giới hạn trên của tốc độ động cơ ở vùng
công suất không đổi sẽ ứng với điểm tần số roto đạt đến điểm tới hạn và
momen động cơ sẽ tương ứng với momen tới hạn. Trong thực tế, thông
thường phải hạn chế tần số roto giới hạn nhỏ hơn trị số ứng với điểm tới hạn
18


vì khi động cơ làm việc gần điểm tới hạn, dòng điện động cơ sẽ tăng và do đó
tổn hao đồng cũng sẽ lớn trong khi momen không tăng. Đồng thời, ở tốc độ
cao, từ thông khe hở giảm, dòng từ hóa nhỏ. Khi duy trì dòng điện stato định
mức, dòng điện roto có thể lớn hơn định mức. Do đó động cơ có thể sinh ra
momen và công suất lớn hơn giá trị định mức.
Mặt khác, do dòng điện từ hóa giảm nên tổn hao công suất giảm và điều
kiện làm mát ở tốc độ cao cũng được cải thiện tốt hơn.
c. Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh điện áp- tần số
Hình 1.10 là sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín điện áp- tần số với điều
khiển tần số độ trượt và hạn chế momen.

Hình 1.10. Hệ thông điều khiển điện áp- tần số với điều khiênt tần số trượt

Sai số giữa tốc độ đặt ωrđ và tốc độ thực, đặt vào bộ điều chỉnh tốc độ có
cấu trúc PI; đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ là tín hiệu tốc độ trượt ω sl*. Tín hiệu
tốc độ trượt ωsl* được cộng với tín hiệu phản hồi tốc độ từ máy phát tốc độ sẽ
tạo ra tín hiệu đặt tần số góc stato ωsđ (hoặc tần số fs*) là tín hiệu điều khiển
tần số chuyển mạch nghịch lưu. Đồng thời tín hiệu đặt điện áp stato U s* tạo ra
nhờ khâu “Tạo hàm”. Khâu tạo hàm thực hiện tính hàm số U s(fs) đảm bảo từ
thông khe hở không đổi. Do độ trượt tỉ lệ với momen của động cơ, nên sơ đồ
có thể coi là mạch vòng điều chỉnh momen bên trong mạch vòng tốc độ. Khi
tín hiệu đặt tốc độ thay đổi nhảy cấp đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ được hạn chế

19


ở giá trị tương ứng với tần số trượt lớn nhất, do đó dòng điện và momen động
cơ được hạn chế ở mức độ cho phép trong quá trình gia tốc. Động cơ sẽ gia
tốc nhanh lên đến tốc độ đặt, khi đó tần số trượt sẽ giảm xuống tới giá trị
tương ứng với momen phụ tải. Khi tín hiệu đặt tốc độ giảm nhảy cấp; tín hiệu
tần số trượt đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ mang dấu “-“, động cơ sẽ làm việc ở
chế độ hãm, năng lượng tái sinh được tiêu tán trên điện trở hãm của mạch 1
chiều hay trở về lưới điện nhờ bộ chỉnh lưu điều khiển ngược.

20


4.2.3. Điều khiển từ thông không đổi bằng điều khiển dòng điện-tần số
trượt
a. Quan hệ dòng điện tốc độ trượt
Momen động cơ tạo bởi từ thông qua khe hở và dòng điện động cơ nên
điều khiển trực tiếp dòng điện stato sẽ nhận được đặc tính động học cao hơn
phương pháp điều khiển điện áp stato. Mặt khác, với bộ biến tần gián tiếp
nguồn dòng điều khiển, dễ dàng hạn chế dòng điện và thực hiện bảo vệ ngắn
mạch, do vậy sẽ thiết kế được mạch nghịch lưu có độ kinh tế cao.
Từ thông khe hở tỉ lệ với dòng điện từ hoá khi mạch từ không bão hoà,
nên để duy trì từ thông khe hở không đổi, dòng từ hoá phải được duy trì
không đổi. Theo điều kiện từ thông khe hở không đổi, dòng điện stato sẽ chỉ
là hàm của tốc độ roto và không phụ thuộc vào tần số stato.
Quan hệ giữa dòng điện stato và dòng điện từ hoá nhận được bằng biểu
thức sau:

Is=Im

Rr'2 + (ω sl Lr ) 2
Rr'2 + (ω sl Lrσ ) 2

(4.2-9)

Như vậy để duy trì từ thông khe hở không đổi, dòng điện stato cần thay
đổi theo hàm số của tốc độ trượt ω sl (4.2-9) ứng với giá trị dòng điện từ hoá
yêu cầu. Giá trị dòng từ hoá đựơc xác định tương ứng với chế độ làm việc
không tảỉ của động cơ ở điện áp và tần số định mức. Quan hệ chính xác giữa
dòng điện stato và tốc độ trượt của 1 động cơ có thể được thực hiện bằng
khâu tạo hàm tương tự hoặc gián đoạn. Đặc tính I s( ω sl ) của động cơ 170W,
50Hz được minh hoạ trên hình 1.11. Dễ dàng nhận thấy rằng dòng điện stato
không phụ thuộc vào dấu của ω sl , tương ứng với 2 trạng thái làm việc động cơ
và hãm.

21


Hình 1.11. Quan hệ dòng điện stato- tốc độ trượt (Đ 170w, 415v, 0.46A, 1378v/ph)

b. Momen động cơ
Từ sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ , quan hệ giữa dòng điện
roto và stato được biểu diễn bằng biểu thức:

I’r=Is

ωsl Lm
R '2r +(ωr L'rσ ) 2

(4.2-10)

Momen động cơ là hàm của dòng điện stato và tốc độ trượt nhận được
bằng kết hợp (4.2-3) và (4.2-10):
 (ω sl Lm ) 2 Rr' / ω sl 
 2

 Rr' + (ω sl Lσr ) 2 
2

M=3p(Is)

(4.2-11)

Momen động cơ chỉ là hàm của tốc độ trượt và không phụ thuộc vào tần
số stato. Ứng với một giá trị dòng điện stato, giá trị momen tới hạn:
L2m
±
Mth= 3p(Is)2 2 Lrσ

(4.2-12)

Ứng với giá trị tốc độ trựơt tới hạn:
ωshh= ±

Rr'
L'r

(4.2-13)

22


c.Sơ đồ hệ thống điều khiển dòng điện- tần số trượt:
Sơ đồ thực tế sử dụng biến tần gian tiếp nguồn dòng trình bày trên hình
1.12.

Hình 1.12. Sơ đồ cấu điều khiển dòng trúc hệ thống điện tần số trượt

Hệ thống gồm 2 mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ. Mạch vòng
điều chỉnh tốc độ và mạch tạo tín hiệu tần số stato tương tự như sơ đồ điều
khiển điện áp- tần số (hình 1.10); với đầu ra là tín hiệu tốc độ trượt ω sld. Dòng
điện đặt Idd của mạch vòng điều chỉnh dòng điện được tính từ khối tạo hàm
thực hiện thuật toán Is(ωsl) đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi. Với
điều khiển từ thông khe hở là định mức, có thể nâng cao độ ổn định và phản
ứng quá trình quá độ hệ thống truyền động điện.
Ở chế độ làm việc độ trượt động cơ bằng không, momen động cơ bằng
không dòng điện stato động cơ có trị số nhỏ nhất đủ để tạo ra từ thông khe hở
khi độ trượt tăng, dòng điện Id tăng để duy trì từ thông khe hở không đổi, hoặc
tương đương với điều khiển điện áp- tần số không đổi. Đặc tính I’ s(ωsl) đối
xứng qua trục tung; do đó hệ thống truyền động điện có khả năng làm việc
được ở bốn góc phần tư. Một dạng khác của sơ đồ điều khiển từ thông khe hở

23


thông qua điều khiển tần số- tần số trượt được trình bày trên hình 1.13 sau
đây.

Hình 1.13. Hệ thống truyền động điều khiển độ trượt sử dụng biến tần gián tiếp

nguồn dòng

Sơ đồ gồm hai mạch vòng điều khiển kinh điển (truyền thống): Mạch
vòng điều chỉnh tốc độ và dòng điện.
Bộ điều chỉnh dòng điện có chức năng điều khiển dòng điện mạch một
chiều thông qua bộ chỉnh lưu điều khiển. Tín hiệu đặt của mạch vòng dòng
điện Idd là đầu ra của mạch vòng điều chỉnh tốc độ. Tín hiệu đặt độ trượt ω sld
được tính từ dòng điện mạch một chiều nhờ khâu tạo hàm. Tương tự như sơ
đồ (hình 1.10) và (hình 1.12), tín hiệu điều khiển tần số stato được tạo ra bằng
cộng hai tín hiệu tốc độ trượt ω sld và tốc độ động cơ ω r. Như vậy từ thông khe
hở được điều khiển gián tiếp ở giá trị định mức bằng cách thay đổi tần số
trượt là hàm của dòng điện một chiều của bộ chỉnh lưu I d. Khi động cơ làm
việc không tải, ωsld xấp xỉ bằng không, dòng điện một chiều có trị số tối thiểu
tương ứng với dòng điện từ hoá của động cơ. Giá trị nhỏ nhất của dòng điện
cũng cần thiết cho điều kiện chuyển mạch của nghịch lưu dòng điện.
Biến tần gián tiếp nguồn dòng điện có ưu việt so với nghịch lưu điện áp
về khả năng hãm tái sinh. Chế độ hãm tái sinh ở sơ đồ (hình 1.13) xảy ra khi
24


tốc độ trượt âm được thực hiện nhờ một khâu “cảm biến dấu”. Khâu “cảm
biến dấu” sẽ phát hiện sự thay đổi dấu của sai lệch tốc độ và làm thay đổi dấu
của ωsl trong khi dòng điện I dd luôn không thay đổi dấu. Trong chế độ hãm tái
sinh, nếu tốc độ trượt có trị số lớn hơn giá trị tới hạn, động cơ sẽ hãm tái sinh,
nếu tốc độ trượt có trị số lớn hơn giá trị tới hạn, động cơ sẽ giảm tốc độ với
momen hãm lớn nhất. Khi đảo thứ tự phát xung (chuyển mạch) của bộ biến
tần, động cơ sẽ đảo chiều và hệ truyền động điện có thể làm việc ở cả bốn góc
phần tư.
Tương tự như sơ đồ điều khiển điện áp- tần số, khâu tạo hàm I d (ωsl)
hoặc (ωsl)Id được tính sẵn dựa vào các thông số của động cơ bằng các mạch

phần ứng tương tự hoặc các thiết bị tính vi xử lý.
Quan hệ Id(ωsl) phụ thuộc vào các tham số điện trở và điện cảm động cơ.
Trong quá trình làm việc, điện trở có thể thay đổi theo nhiệt độ; điện cảm sẽ
thay đổi theo độ lớn dòng điện và mạch từ có thể bão hoà cục bộ do phân bố
của từ thông tản. Do đó khó duy trì được từ thông khe hở không đổi. Khi hàm
số Id(ωsl) được tính sẵn theo các thông số định mức của động cơ.
4.3. Điều khiển momen
4.3.1. Nguyên lý điều khiển
Momen điện từ động cơ được tính theo biểu thức (4.1-6)
3 pI r'2 Rr'
M=
.
ωs
s

(4.3-1)

Trong đó: ωs=2лfs
p-là số đôi cực.
Từ sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ, dòng điện roto I’ r có thể biểu
thị theo dòng điện từ hoá Im theo biểu thức:
ω s Lm
2
'
2
I’r=Im ( R' r / s) + (ω s Lrσ )

(4.3-2)

Sử dụng (4.3-2), phương trình momen (4.3-1) được viết ở dạng:

25